结构与保温一体化的外墙设计与施工技术*

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1 研究背景

结构与保温一体化外墙是一种新型的保温墙体形式，具有保温效果好、可实现墙体保温与主体结构同寿命的特点，是今后国内节能建筑墙体发展与应用的趋势。

1.1 墙体与连接件介绍

按照保温材料的设置位置，工程中常用的保温墙体分为外保温墙体、内保温墙体和夹心保温墙体3种。结构与保温一体化外墙也称为预制混凝土夹心保温墙体，是由内外页混凝土墙板、保温结构中间层、连接件组成。由于将保温结构层设置于墙体中部，避免了外保温墙体火灾、自然冻融循环等自然灾害对保温材料的危害，同时又降低了内保温墙体热桥效应的影响，提高了墙体的保温效果。

连接件是结构与保温一体化墙体的关键组成部件，其主要作用是连接墙体内、外混凝土墙板与中间保温层，抵抗两页混凝土墙板之间的层间剪切和相互分离。目前，常用的墙体连接件分为金属合金连接件、普通金属连接件和FRP连接件（图1）。

FRP连接件采用纤维增强塑料材料，价格适中，同时抗腐蚀性好，传热能力低，是目前国内节能建筑外墙中新兴使用的连接件产品，在建筑工程领域具有良好的应用前景[1]。

1.2 研究与应用

图1 连接件分类

西方国家对结构与保温一体化外墙的研究与应用较早，早在上世纪90年代初，美国Seeber，德国Kurama、Ramm,W等就开展了墙体及FRP连接件的研究工作，通过FRP连接件的拔出、抗剪试验以及墙体静力性能试验确定了连接件和墙体的受力性能与破坏形态[2-6]。结构与保温一体化墙体和FRP连接件在美国、欧洲等地区的工业建筑、住宅、办公楼、温室得到了广泛的应用。

相比之下，国内对结构与保温一体化墙体的研究与应用起步较晚，国内缺乏具有自主知识产权的外墙及FRP连接件，对墙体及连接件的理论研究也较少。黑龙江、天津、北京等地建造的一些节能建筑采用的墙体和连接件大都直接购买国外产品，建造成本较高。

1.3 技术标准

由于FRP连接件在欧美等国家的应用时间较长，国外已专门针对结构与保温一体化的外墙和FRP连接件编写了多部技术标准，如AC320、ESR-1746等。

国内尚未颁布FRP连接件的相关标准，只是在《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）、《装配整体式混凝土住宅体系设计规程》（DG/TJ 08-2071—2010）中提到了墙体和FRP连接件的设计、构造及施工等相关内容。

2 外墙设计

2.1 外墙与连接件开发

针对上述国内对结构与保温一体化墙体的研究较少，国内墙体与连接件产品应用匮乏等问题，上海建工集团与同济大学等单位合作[7]，在国内首次开发出了具有自主知识产权的墙体及FRP连接件产品（图2），并对墙体及FRP连接件开展了力学性能试验研究。

图2 结构与保温一体化墙体及FRP连接件

开发的结构与保温一体化墙体适用于夏热冬冷地区，墙体由厚55 mm混凝土外墙板、厚40 mm泡沫混凝土中间层、厚180 mm混凝土内墙板和FRP连接件组成，连接件在墙体中采用矩形或梅花形布置，布置间距为500 mm。

用于连接内外层混凝土板的FRP连接件呈棒状，由FRP连接体和塑料套环组成，连接体截面形状为十字形。

2.1.1 力学性能试验

针对开发的FRP连接件开展了拔出和抗剪性能试验（图3），试验结果表明（表1），连接件的抗拔承载力和抗剪承载力均达到了设计要求，并有一定的安全储备。

图3 连接件抗拔及抗剪试验

表1 FRP连接件拔出及抗剪试验结果

基于试验结果并结合理论分析，得出了连接件的抗拔承载力和抗剪承载力的设计计算方法。

棒状连接件的抗拔及抗剪承载力按式（1）、（2）进行计算：

式中：h0——锥体的高度；

D1——连接件截面宽度；

ft——混凝土抗拉强度；

t——中性轴横穿FRP连接件位置的连接件宽度；

α——连接件弯曲效应系数，α=15-0.2L；

L——保温层厚度；Sz

*、Iz、τf、σf可参考材料力学的定义计算。

FRP连接件拔出、抗剪承载力试验值与设计值对比如表2所示。

表2 连接件拔出、抗剪承载力试验值与计算值对比

可以看出，FRP连接件抗拔与抗剪承载力公式计算值与试验值之间误差较小。

2.1.2 热工性能试验

为了确定结构与保温一体化墙体在实际使用过程中的节能保温效果，我们进行了墙体的热工性能试验（图4）。墙体的热工性能检测结果为：墙体热流量值Q=13.02 W/m2，墙体热阻值R=0.74 m2·K/W，外墙传热阻值R0=0.89 m2·K/W，外墙传热系数K=1.12 W/（m2·K），内墙传热阻值R0=0.96 m2·K/W，内墙传热系数K=1.04 W/（m2·K）。

图4 外墙板热工性能检测

由结果可知，作外墙时，传热系数K=1.12 W/（m2·K）；作内墙时，传热系数K=1.04 W/（m2·K）。两者均小于规范对住宅建筑节能的限值要求[限值为1.50 W/（m2·K）]。

2.2 连接设计

构件节点的连接构造是预制结构设计的关键，它直接影响到整个结构的受力性能和使用性能。为了避免墙体在连接节点处的渗水和冷热桥现象，增加墙体的整体保温效果，我们专门针对墙体的连接构造进行了设计。

2.2.1 外墙与梁的连接

在结构与保温一体化外墙上部墙板中预留插筋并伸入L形梁中形成锚固。在现浇梁中预埋插筋并在预制墙体下部预留一竖孔，安装时将梁中预埋插筋插入孔中。上下墙体间的缝隙用聚苯乙烯棒条和防水材料密封处理，如图5所示。

图5 外墙与梁的连接示意

2.2.2 外墙与柱的连接

在结构与保温一体化外墙端部墙板内预留插筋并伸入柱中形成锚固。插筋的直径与布置间距应满足设计要求，两片墙体间的缝隙用聚苯乙烯棒条和防水材料密封处理，如图6所示。

图6 外墙与柱的连接示意

2.2.3 外墙与剪力墙的连接

结构与保温一体化外墙与现浇剪力墙通过接驳器连接，接驳器的直径与布置间距应满足设计要求，两片墙体外侧混凝土板的缝隙用聚苯乙烯棒条和防水材料密封处理，如图7所示。

图7 外墙与剪力墙的连接示意

3 外墙施工

外墙的施工步骤主要分为前期外墙的运输、施工准备工作、外墙现场起吊、安装与调整等步骤。

3.1 运输保护技术

由于此次开发的结构与保温一体化墙体的外侧混凝土板较薄，故对墙板的运输提出了更高的要求。为此，特别研发了针对墙体的运输架，并针对不同墙体尺寸，设计了A形架运输和矩形网架运输2种方式。

当墙板构件的尺寸较大，尤其是宽度方向尺寸较大时，宜采用A形架运输方式；当墙板构件尺寸适中，且标准化程度较高时，宜采用矩形网架运输方式。在运输过程中，应将外墙的内侧混凝土板与钢架接触，以便保护保温材料和外侧混凝土板。

3.2 现场安装技术

3.2.1 工作流程

外墙施工（包括其他构件）的总体流程为：引测控制轴线→楼面弹线→水平标高测量→预制墙板逐块安装（控制标高垫块放置→起吊、就位→临时固定→脱钩、校正→锚固筋安装、梳理）→现浇柱、墙板钢筋绑扎（机电暗管预埋）→支撑排架搭设→柱、墙板模板安装→叠合楼板、叠合阳台板安装→现浇楼板钢筋绑扎（机电暗管预埋）→混凝土浇筑→养护→预制楼梯吊装。

3.2.2 前期准备

预制外墙板采用竖直翻转后运输，为保护外墙外立面，外墙插筋向内、正向放置，构件放置角度不应小于30°，以防止倾覆。

构件均通过运输架进行运输。预制构件运至施工现场后，直接连同运输架一起堆放在塔吊有效范围的施工空地上。墙板采用靠放，用槽钢制作满足刚度要求的三角支架，应对称堆放，外饰面朝外，倾斜度保持在5～10°之间。

按照最大单件吊装、装配起重量的设计要求，经选型、比较，平面控制采用网状控制法，施工采用方格控制网。

通过地面上设置的控制网，在建筑物的地下室顶板面上设置垂直控制点，形成十字相交，组成十字平面控制网，避开每层的柱、梁、墙，并且点与点之间应不被核心筒、柱子等的预留钢筋挡住视线。

3.2.3 外墙现场起吊

为防止单点起吊引起构件变形，本外墙应采用钢扁担起吊就位。构件的起吊点应合理设置，保证构件能水平起吊，避免磕碰构件边角。构件起吊平稳后再匀速移动吊臂，靠近建筑物后由人工对中就位。

3.2.4 外墙安装与调整

本外墙板吊装的顺序为：外墙板进场、编号、按吊装流程清点数量→各逐块吊装的预制保温外墙板搁（放）置点清理、按标高控制线垫放硬垫块→按编号和吊装流程，对照轴线、墙板控制线逐块就位设置墙板与楼板限位装置→设置构件支撑及临时固定，调节墙板垂直尺寸→塔吊吊点脱钩，进行下一墙板安装并循环重复。

3.3 施工安全防护技术

3.3.1 外墙安全防护

为了在外墙安装施工过程中能够保护操作人员的安全，我们专门制作了结构与保温一体化外墙围挡，如图8所示。

图8 外墙安全围挡示意

该安全操作围挡的高度为1.8 m，用以满足安全技术施工要求。围挡的尺寸根据外墙的不同尺寸定做，共分为12种规格。

围挡材料选用方形管，尺寸分别为25 mm×25 mm×2 mm、25 mm×40 mm×2 mm、30 mm×40 mm×2 mm，钢丝网选用10 mm×10 mm方孔镀锌网。连接、固定采用在预制墙板上口预埋φ40 mm接驳器，通过连接件与结构连接。

3.3.2 安全操作

针对研发的外墙，我们制定了外墙施工安全操作系列步骤：

1）结构与保温一体化外墙板运输至工地，在外墙板内侧预埋拉结点上设置缆风绳。

2）结构与保温一体化外墙板起吊，楼层内操作人员在该块墙板位置佩带穿心自锁保险带，并与楼层内预埋件螺栓孔拉结、扣牢。

3）结构与保温一体化外墙板起吊至需要安装楼层的外侧位置，操作人员用自制的专用拉钩将缆风绳引至楼层内。

4）操作人员通过缆风绳将结构与保温一体化外墙板拉至装配楼层位置。

5）操作人员在室内装置外墙板与楼层限位器。

6）操作人员在室内装置外墙板与楼层调节杆。

7）外墙板固定就位，吊钩脱钩、移离。

8）操作人员解除穿心自锁保险带与楼层的连接，移到下一顺序的外墙板位置，并与该外墙板预埋螺栓孔拉结、扣牢。

9）重复分解上述步骤，依次循环。

4 结语

结构与保温一体化外墙具有保温效果好、耐久性强、施工便捷等优点，同时可实现墙体保温与主体结构同寿命，是节能建筑墙体发展的趋势，在国家新型城镇化发展的战略背景下具有光明的应用前景。

国外已开展了一系列结构与保温一体化FRP连接件的研究与工程应用工作，并制定了连接件的相关技术规程和产品标准。相对而言，国内对FRP连接件的研究与应用工作尚处于起步阶段。

本文总结了结构与保温一体化外墙的国内外研究与应用进展、技术标准等方面的内容，重点介绍了本课题组开发的外墙及FRP连接件，并针对外墙的设计和施工的关键技术进行了研究，在今后的工作中，课题组还应开展以下研究工作：

1）在工程实际使用过程中，外墙及FRP连接件往往受到风荷载和地震荷载的组合作用，应进一步研究外墙及FRP连接件的抗震性能。

2）建立热工模型，对墙体与梁、柱节点的热工性能进行整体模拟计算，以确定墙体在实际使用过程中的保温节能效果。